比值控制系统的种类

MATLAB/Simulink与过程控制系统仿真第八章比值控制系统110072A12010072022 魏兴8.1 比值控制系统基础知识8.2 比值控制系统设计8.3 综合仿真实例8.1 比值控制系统基础知识8.1.1比值控制系统特点比值控制系统的特征: 是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。

1.主物料，也称为主动量:在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料。

2.从物料，也称为从动量:另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料3.在过程控制中经常保持比例的参量是流量，故常用下式表示 21Q K Q8.1.2 比值控制系统的类型根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。

比值控制系统分为：1. 开环比值控制系统；2. 单闭环比值控制系统；3. 双闭环比值控制系统；4. 变比值控制系统等。

1．开环比值控制系统工艺流程图和原理方框图如图所示。

2．单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。

工艺流程图及原理框图如图所示。

3．双闭环比值控制系统在双闭环比值控制系统工作时，若主动量受到干扰发生波动，则主动量回路对其进行定值控制，使主动量始终稳定在给定值附近，同时从动量控制回路也会随主动量的波动进行调整；当从动量受到扰动发生波动时，从动量控制回路对其进行定值控制，使从动量始终稳定在定值附近，而主动控制回路不受从动量波动的影响。

因此，因扰动而发生的主动量和从动量波动利用各自控制回路分别实现实际值与给定值吻合，从而保证主、副物料流量的比值恒定。

当调节主动量给定值时，主动量控制回路调节主动量实际值和给定值吻合；同时，根据主动量与从动量的比值及新的主动量给定值，系统给出从动量控制回路的输入值。

通过从动控制回路的调节控制使从动量的实际值与该输入值吻合，即从动控制量的实际值与主动量变动后的数值相对应，保持主动量和从动量的比值不变。

比值控制系统分析摘要：火电厂控制系统应用了各种类型的比值控制系统，如开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双比值控制系统及有逻辑规律的比值控制系统等。

本文就控制系统的设计思路、性能分析和比值控制系统分析。

关键词：比值控制；控制系统；系统分析1.引言在生产过程中，经常出现一种随动控制系统，它叫比值控制系统，能控制两种或两种以上的物质保持一定的比例关系，一旦出现比例失调就会影响生产的安全性和经济性。

在这种系统控制的需要保持比例的两种物质中，必有一种处于主导地位，称为主动量，而另一种需要按主动量进行配比，称为从动量。

2.比值控制系统类型和原理分析2.1开环比值控制系统开环比值控制系统的原理图如图1所示。

它是比值控制系统中最简单的控制方案。

Q1是主动物料流量，Q2是从动物料流量，Q2随Q1改变而改变。

在稳态下，两种物料流量关系满足Q2＝KQ1的要求。

其中K为工艺指标规定的体积或质量流量的比值。

在这个方案中，主动流量Q1仅有测量变送信号送入控制器（或比值器），而控制器并不控制它，即没有形成回路。

相反，从动物料Q2没有测量变送信号，却只有控制信号，所以系统是开环的。

开环比值控制系统的特点是：系统简单，所用仪表少，仅需一台比例控制器就可以实现；整定也比较简单，控制器比例度可以根据比值要求设置。

但是，这一方案仅适用于从动物料Q2在一定阀门开度下，流量很少变化或者相当稳定的场合。

在这种系统中从动物料Q2的干扰是不可避免的。

（a）原理图（b）框图图1 开环比值控制系统2.2单闭环比值控制系统工艺上要求两种物质的流量保持一定的比例关系，可以选用单闭环比值控制系统，如下图2所。

图2 单闭环比值控制（a）系统结构框图（b）系统原理框图系统稳定时，Q1/Q2=K。

当Q1变化时经比值控制器按预先设置的比值使输出成比例地变化，也就是成比例地改变从动量控制器的给定值，从而使Q2跟随Q1变化，使得在新的稳定条件下保持Q1与 Q 2的比值K不变。

比值控制系统问题的提出：在工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系，要求严格控制比例。

最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环保的要求：造纸过程中，浓纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆；许多化学反应的诸个进料要保持一定的比例。

例如：1、氨合成生产过程：3H2+1N2=2NH3要求H2和N2完全按照3：1进料。

2、造纸过程中，对纸浆浓度有要求，进料浓纸浆和水的进料就要满足一定比例。

如果有三个进料，对三个进料之间需要满足一定比例关系。

而我们之前学习的控制系统的控制达不到这样的控制要求。

因此就要用到一个新的控制————比值控制系统基本概念：1.比值控制系统（流量比值控制系统）：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统。

2.主物料或主动量：在保持比例关系的两种物料中处于主导地位的物料，称为主物料；表征主物料的参数，称为主动量（主流量），用F1表示。

3.从物料或从动量：按照主物料进行配比，在控制过程中跟随主物料变化而变化的物料，称为从物料；表征从物料特性的参数，称为从动量（副流量），用F2表示。

4.有些场合，用不可控物料为主物料，用改变可控物料即从物料来实现比值关系。

5. 比值控制系统就是要实现从动量与主动量成一定的比值关系:K= F2/ F1 F2—为从动量A ， F1—为主动量B （从动量/主动量=K 常数）在比值控制系统中，从动量是跟随主动量变化的物料流量，因此，比值控制系统实际上是一种随动控制系统。

比值控制系统的类型开环比值控制系统单闭环比值控制系统双闭环比值控制系统变比值比值控制系统（串级比值控制系统）开环比值控制系统开环比值控制系统是最简单的比值控制系统，同时也是一个开环控制系统。

随着F1的变化，F2跟着变化，满足F2=KF1的要求（阀门开度与F1之间成一定的比例关系。

（图P162 图5.1）开环比值控制缺点1.当F2因管线两端压力波动而发生变化时，系统不起控制作用，即：F2本身无抗干扰能力。

练习题一、填空题1．定比值控制系统包括：（开环比值控制系统）、（单闭环比值控制系统）和（双闭环比值控制系统）。

2．控制阀的开闭形式有（气开）和（气关）。

3．对于对象容量滞后大和干扰较多时，可引入辅助变量构成（串级）控制系统，使等效对象时间常数（减少），提高串级控制系统的工作频率。

4．测量滞后包括测量环节的（容量滞后）和信号测量过程的（纯滞后）。

5．锅炉汽包水位常用控制方案为：（单冲量水位控制系统）、（双冲量控制系统）、（三冲量控制系统）。

6．泵可分为（容积式）和（离心式）两类，其控制方案主要有：（出口直接节流）、（调节泵的转速）、（调节旁路流量）。

7．精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益最大或总成本最小。

具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统，分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（约束条件控制）和（质量控制）。

1.前馈控制系统的主要结构形式包括：单纯的前馈控制系统、（前馈反馈控制系统）和（多变量前馈控制系统）。

2.反馈控制系统是具有被控变量负反馈的闭环回路，它是按着（偏差）进行控制的；前馈控制系统是按（扰动）进行的开环控制系统。

3.选择性控制系统的类型包括：（开关型）、（连续型）和（混合型）。

4.常用控制阀的特性为（线性）、（快开）、（对数）、和（抛物线）特性。

5.阀位控制系统就是在综合考虑操纵变量的（快速性）、（经济性）、（合理性）、和（有效性）基础上发展起来的一种控制系统。

6.压缩机的控制方案主要有：（调速）、（旁路）和节流。

7.化学反应器在石油、化工生产中占有很重要的地位，对它的控制一般有四个方面，分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（质量控制）和（约束条件控制）。

二、简答题1．说明生产过程中软保护措施与硬保护措施的区别。

答：所谓生产的软保护措施，就是当生产短期内处于不正常情况时，无须像硬保护措施那样硬性使设备停车，而是通过一个特定设计的自动选择性控制系统，以适当改变控制方式来达到自动保护生产的目的。

概述：
比值控制系统
实现两个或两个以上参数符合一定的比例关系的控制系统。

比值K=F2/F1。

住动量（主流量）F1：
需要保持比值关系的两种物料中，处于主导地位的物料。

从动量（副流量）F2：
按主物量进行配比变化的材料，在控制过程中随主物料的变化而变化。

常用比值控制系统的分类及优缺点：
1.开环比值控制系统：最简单的比值控制系统，是一个开环控制系统。

2.单闭环比值控制系统：克服开花比值控制系统，增进一个副流量的控制系统，实现
副流量跟随主流量的变化而变化，克服副流量本身干扰对比值的影响。

该系统存在问题：
①由于主流量不受控制，所以种物料不固定，不适合负荷变化幅度大的场合；
⑵无法保证动态比值。

3.双闭环控制系统：⑴克服单闭环控制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围内波动
的不足；
⑵实现精准的流量比值关系（动态比值）；
⑶需要防止共振的产生。

4.其他类型的比值控制系统。

⑴变比值控制系统：按一定的工艺指标自行修正比值系数的变比值控制系统，也称为串级比值控制系统。

⑵串级与比值控制组合的系统：要求主流量随另一个参数的需求而改变，两流量的比值保持不变整个系统属于定比值控制。

比值控制系统的类型及应用比值控制系统是一种常用的控制系统形式，它通过对被控对象的输入和输出进行比值运算，根据运算结果来调节控制器的输出信号，使得被控对象的输出始终保持在期望值的比值范围内。

相比于传统的比例控制系统，比值控制系统具有更高的控制精度和更强的抗干扰能力，适用于许多工业领域的控制需求。

比值控制系统的类型主要包括比例-积分（PI）控制系统、比例-积分-微分（PID）控制系统和模糊比值控制系统。

比例-积分（PI）控制系统是一种常见的比值控制系统，它通过将被控对象的输出与期望值之间的误差进行比值运算，然后乘以比例增益和积分时间，最终得到控制器的输出信号。

PI控制系统具有良好的稳定性和快速的响应速度，适用于对稳态误差要求较高的系统，如温度控制、流量控制和水位控制等。

比例-积分-微分（PID）控制系统在PI控制系统的基础上增加了微分时间，通过对误差的变化率进行比值运算，来进一步提高系统的响应速度和稳定性。

PID控制系统广泛应用于工业过程控制中，如压力控制、速度控制、位置控制和自动驾驶等。

它可以根据被控对象的动态特性来调整三个参数，以获得最佳的控制效果。

模糊比值控制系统是一种基于模糊逻辑的控制方法，它不依赖于精确的数学模型，而是根据专家经验和实际观测来建立模糊规则集，通过对输入的模糊度和输出的模糊度进行比值运算，从而实现控制目标。

模糊比值控制系统具有良好的鲁棒性和适应性，对于那些难以建模或者动态变化较大的系统，模糊比值控制系统能够有效地实现控制任务。

比值控制系统在许多领域中有着广泛的应用。

在工业自动化中，比值控制系统可以应用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等过程控制领域。

比如，在温度控制领域，比值控制系统可以通过监测被控对象的实际温度和期望温度之间的比值差异，来进行控制器输出信号的调节，使得被控对象的温度始终保持在期望值的比值范围内。

在交通运输领域，比值控制系统可以应用于交通信号灯控制、车辆速度控制、智能轨道交通系统等。